CN114482862A - 一种多维振动水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多维振动水力振荡器，包括外套筒、偏心转动组件和节流振动冲击组件，其中，所述偏心转动组件可转动地安装于所述外套筒内；所述节流振动冲击组件包括相互套接的内连接套和外移动套，所述外移动套在内部节流和外部轴向压力下相对所述内连接套往复轴向移动，所述内连接套与所述偏心转动组件连接，所述外移动套可移动地安装于所述外套筒上。本发明具有可产生径向和周向振动，减小摩阻、提高钻压传递效率等优点。

Description

一种多维振动水力振荡器

技术领域

本发明涉及石油、天然气勘探领域，尤其涉及一种多维振动水力振荡器。

背景技术

随着油气勘探开发的不断深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等复杂结构井数量越来越多，如何实现定向钻井快速钻进和提高水平段长度成为关注焦点。在造斜段、水平段定向钻井过程中，井口设备及钻具组合不旋转，随着井斜角的增大和裸眼井段长度的增加，钻柱由于重力作用与井壁长距离接触，钻柱与井壁间的摩阻(包括轴向摩擦力和摩擦扭矩)持续增大，导致滑动钻进时加不上钻压，工具面摆放困难、机械钻速很低，影响了钻井速度及定向效率。水力振荡器通过周期性振荡钻柱，将钻柱与井壁的静摩擦接触转换为动摩擦接触，降低定向钻井的滑动摩擦阻力。该类型工具具有提高定向钻井机械钻速、增加单只钻头进尺、实现井眼轨迹定向控制等诸多优点，在定向井中的应用越来越多。目前，现场常见的水力振荡器多为单一轴向振动类型，振动减阻效果不满足超深水平井、超长水平井高摩阻工况，依然存在托压现象。针对现场使用的水力振荡器定向钻井遇到的实际情况，如何通过多元复合振动实现高效降摩减阻成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可产生径向和周向振动，减小摩阻、提高钻压传递效率的多维振动水力振荡器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种多维振动水力振荡器，包括外套筒、偏心转动组件和节流振动冲击组件，其中，所述偏心转动组件可转动地安装于所述外套筒内；所述节流振动冲击组件包括相互套接的内连接套和外移动套，所述外移动套在内部节流和外部轴向压力作用下相对所述内连接套往复轴向移动，所述内连接套与所述偏心转动组件连接，所述外移动套可移动地安装于所述外套筒上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述偏心转动组件包括偏心轴和驱动偏心轴转动的驱动部；所述外套筒的内部设有两个保证偏心轴在转动时不偏离轴心的安装扶正部件；所述偏心轴的两端穿过对应的所述安装扶正部件，并分别连接所述驱动部和内连接套。

所述驱动部为通过钻井液带动旋转的液动驱动件或通过电力带动旋转的电动驱动件。

所述偏心轴与所述安装扶正部件之间设有减少两者摩擦损耗的减摩层。

所述偏心转动组件与所述内连接套上均设有供钻井液通过的流通通道，所述外移动套内设有节流封堵块，所述节流封堵块在外移动套移动至内连接套时封堵所述流通通道。

所述节流封堵块设有钻井液循环孔和钻井液过流孔，所述钻井液循环孔在流通通道封堵时与所述流通通道对接连通；所述钻井液过流孔位于所述节流封堵块与所述外套筒之间，所述钻井液过流孔在流通通道打开时与所述流通通道连通。

所述节流封堵块设有锥形密封部，所述流通通道靠近外移动套的一端设有锥形配合孔，所述锥形密封部在流通通道封堵时与所述锥形配合孔密封配合。

位于外移动套的所述流通通道还包括减小钻井液过流面积的加压通道，所述加压通道包括加压段和连通段，沿钻井液的注入方向，所述加压段和所述连通段交替布置，所述锥形配合孔与最末端的所述连通段连接。

所述节流振动冲击组件还包括对外移动套的冲击力进行缓冲调节的弹性部件，所述弹性部件包括压缩弹簧和安装凸台，其中，所述安装凸台套设于所述外移动套上，并安装于所述外套筒的内侧；所述压缩弹簧的两端分别连接所述外移动套和安装凸台。

所述外套筒包括连接钻柱的上接头段、设于偏心转动组件位置的第一套接段、设于节流振动冲击组件位置的第二套接段，以及安装外移动套的端部安装段，所述上接头段、第一套接段、第二套接段及端部安装段依次连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本申请通过偏心转动组件转动产生的偏心作用力带动外套筒周向振动，持续输出周向振击力，从而使得钻具在井壁上周期性振动和蠕动，减小钻具与井壁的摩擦阻力；且节流振动冲击组件的外移动套在内部节流和外部轴向压力下可相对内连接套往复轴向移动，以带动外套筒轴向振动，从而实现周期往复性的轴向振动及轴向位移。即本申请偏心转动组件与节流振动冲击组件的组合设置形式实现了使得多维振动水力振荡器产生稳定的周向和轴向振动，此时，钻具与井壁由静摩擦状态变为动摩擦状态，其大大降低了钻具与井壁之间的摩擦阻力，提高了钻压传递效率，尤其有效解决了超深、超长水平井滑动钻井过程中的托压问题。

同时，本发明的偏心转动组件可转动地安装于外套筒内；节流振动冲击组件包括相互套接的内连接套和外移动套，内连接套与偏心转动组件连接，外移动套穿设于所述外套筒上。其整体结构简单、紧凑，占用空间小。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明多维振动水力振荡器的结构示意图(流通通道打开状态)。

图2是本发明多维振动水力振荡器的结构示意图(流通通道封堵状态)。

图中各标号表示：

1、外套筒；11、安装扶正部件；12上接头段；13、第一套接段；14、第二套接段；15、端部安装段；2、偏心转动组件；21、偏心轴；22、螺杆；3、节流振动冲击组件；31、内连接套；32、外移动套；4、流通通道；41、锥形配合孔；42、加压段；43、连通段；5、节流封堵块；51、钻井液循环孔；52、钻井液过流孔；53、锥形密封部；6、弹性部件；61、压缩弹簧；62、安装凸台。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1和图2示出了本发明多维振动水力振荡器的实施例，其用于石油、天然气勘探开发领域，亦可用于地质勘探、矿山、采石、水井、地热等领域，具有低压降、耐油、耐高温的优点。本实施例中，多维振动水力振荡器包括外套筒1、偏心转动组件2和节流振动冲击组件3。偏心转动组件2可转动地安装于外套筒1内。节流振动冲击组件3包括内连接套31和外移动套32，内连接套31与偏心转动组件2连接，并可随偏心转动组件2转动；外移动套32的一端穿过外套筒1与外部钻头或钻杆连接，外移动套32的另一端套设于内连接套31上，外移动套32在内部节流和外部轴向压力下可相对内连接套31往复轴向移动。其整体结构简单、紧凑，占用空间小。

同时，本申请通过偏心转动组件2转动产生的偏心作用力带动外套筒1周向振动，持续输出周向振击力，从而使得钻具在井壁上周期性振动和蠕动，减小钻具与井壁的摩擦阻力；且节流振动冲击组件3的外移动套32在内部节流和外部轴向压力下可相对内连接套31往复轴向移动，以带动外套筒1轴向振动，从而实现周期往复性的轴向振动及轴向位移。即本申请偏心转动组件2与节流振动冲击组件3的组合设置形式使得多维振动水力振荡器产生稳定的周向和轴向振动，此时，钻具与井壁由静摩擦状态变为动摩擦状态，其大大降低了钻具与井壁之间的摩擦阻力，提高了钻压传递效率，尤其有效解决了超深、超长水平井滑动钻井过程中的托压问题。

本实施例中，偏心转动组件2包括偏心轴21和驱动部，且外套筒1的内部设有两个安装扶正部件11，偏心轴21的两端安装于对应的安装扶正部件11上，以保证偏心轴21在转动时始终不偏离轴心。同时，偏心轴21的两端分别连接驱动部和内连接套31，偏心轴21在驱动部的带动下转动，此时，偏心轴21产生偏心作用并带动外套筒1振动，输出稳定性的周向振动。本发明偏心转动组件2的设置形式在提供外套筒1周向振动的同时，具有结构简单、操作方便的优点。本实施例中，安装扶正部件11为扶正轴承。在其他实施例中，只要能够保证偏心轴21在转动时始终不偏离轴心的扶正结构均应在本发明的保护范围内。

进一步地，驱动部为液动驱动件，液动驱动件在钻井液的带动下旋转，与之连接的偏心轴21同时转动。本实施例中，液动驱动件为螺杆22，在其他实施例中，液动驱动件也可为涡轮等液动驱动件。同时，只要能够有效驱动偏心轴21转动的驱动部件均应在本发明的保护范围内，如驱动部也可为电力带动旋转的电动驱动件等井下旋转动力部件。

进一步地，偏心轴21与安装扶正部件11之间设有减摩层，以减少偏心轴21与安装扶正部件11之间的摩擦损耗，保证周向振动效果、提高设备使用寿命。本实施例中，减摩层为润滑油涂层，在其他实施例中，减摩层也可为具有减摩功能的金属层。

本实施例中，偏心转动组件2与内连接套31上均设有供钻井液通过的流通通道4，且外移动套32内设有节流封堵块5。如图1和图2所示，当托压时，外移动套32压缩以向内连接套31移动，导致节流封堵块5封堵流通通道4，此时，钻井液流动不畅，产生水击作用，水击作用产生强大压力推动外移动套32与内连接套31分开，其使得外移动套32可周期性往复移动，以带动钻柱轴向振动，将钻柱与井壁的静摩擦变成动摩擦，减少摩擦阻力。本实施例中，外移动套32的冲击力频率可通过流通通道4的出口流量进行调节。

进一步地，节流封堵块5设有钻井液循环孔51和钻井液过流孔52。其中，钻井液循环孔51在流通通道4封堵时与流通通道4对接连通，以使钻井液仍可建立井下循环，避免钻井液完全堵死存在的井下风险，保证了地面循环泵和井下工具的安全性。钻井液过流孔52位于节流封堵块5与外套筒1之间，钻井液过流孔在流通通道4打开时与流通通道4连通，以供钻井液正常通过。

进一步地，节流封堵块5设有锥形密封部53，流通通道4靠近外移动套32的一端设有锥形配合孔41。锥形密封部53在流通通道4封堵时与锥形配合孔41密封配合，以使流通通道4有效封堵，保证提供足够推动外移动套32轴向移动的作用力。

更进一步地，位于外移动套32的流通通道4还包括减小钻井液过流面积的加压通道，加压通道包括加压段42和连通段43，加压段42和连通段43交替布置，锥形配合孔41与最外端的连通段43连接。其减小了钻井液的过流面积，使得钻井液输出压力增高，以进一步保证外移动套32可靠轴向移动。加压段42和连通段43的设置数量可根据钻井液的压力需求进行设置。本实施例中，加压段42为倒锥形孔，连通段43为圆柱形孔。

如图1所示，节流振动冲击组件3还包括弹性部件33，弹性部件33包括压缩弹簧331和安装凸台332。其中，安装凸台332套设于外移动套32上，且安装凸台332固定安装于外套筒1的内侧；压缩弹簧331的两端分别连接于外移动套32和安装凸台332之间。其设置结构简单、占用空间小。

当节流封堵块5封堵流通通道4时，压缩弹簧331处于拉伸状态；当外移动套32远离内连接套31时，压缩弹簧331储能，当压力超过压缩弹簧331的刚度时，压缩弹簧331的弹性势能瞬间释放，外移动套32返回初始位置，以实现外移动套32的往复运动。本发明外移动套32的冲击力大小可根据压缩弹簧331刚度进行调整。

进一步地，外套筒32包括依次连接的上接头段12、第一套接段13、第二套接段14及端部安装段15。其中，上接头段12连接钻柱，以确定工具安装位置；第一套接段13设置于偏心转动组件2的位置；第二套接段14设置于节流振动冲击组件3的位置；外移动套32穿过端部安装段15连接外部钻头或钻杆，端部安装段15供外移动套32穿过的通孔与安装扶正部件11同轴布置。本发明外套筒1的分段设置形式方便多维振动水力振荡器的拆卸和维护。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种多维振动水力振荡器，其特征在于，包括外套筒、偏心转动组件和节流振动冲击组件，其中，所述偏心转动组件可转动地安装于所述外套筒内；所述节流振动冲击组件包括相互套接的内连接套和外移动套，所述外移动套在内部节流和外部轴向压力下相对所述内连接套往复轴向移动，所述内连接套与所述偏心转动组件连接，所述外移动套可移动地安装于所述外套筒上。

2.根据权利要求1所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述偏心转动组件包括偏心轴和驱动偏心轴转动的驱动部；所述外套筒的内部设有两个保证偏心轴在转动时不偏离轴心的安装扶正部件；所述偏心轴的两端穿过对应的所述安装扶正部件，并分别连接所述驱动部和内连接套。

3.根据权利要求2所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述驱动部为通过钻井液带动旋转的液动驱动件或通过电力带动旋转的电动驱动件。

4.根据权利要求2所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述偏心轴与所述安装扶正部件之间设有减少两者摩擦损耗的减摩层。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述偏心转动组件与所述内连接套上均设有供钻井液通过的流通通道，所述外移动套内设有节流封堵块，所述节流封堵块在外移动套移动至内连接套时封堵所述流通通道。

6.根据权利要求5所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述节流封堵块设有钻井液循环孔和钻井液过流孔，所述钻井液循环孔在流通通道封堵时与所述流通通道对接连通；所述钻井液过流孔位于所述节流封堵块与所述外套筒之间，所述钻井液过流孔在流通通道打开时与所述流通通道连通。

7.根据权利要求5所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述节流封堵块设有锥形密封部，所述流通通道靠近外移动套的一端设有锥形配合孔，所述锥形密封部在流通通道封堵时与所述锥形配合孔密封配合。

8.根据权利要求7所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，位于外移动套的所述流通通道还包括减小钻井液过流面积的加压通道，所述加压通道包括加压段和连通段，沿钻井液的注入方向，所述加压段和所述连通段交替布置，所述锥形配合孔与最末端的所述连通段连接。

9.根据权利要求1至4中任意一项所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述节流振动冲击组件还包括对外移动套的冲击力进行缓冲调节的弹性部件，所述弹性部件包括压缩弹簧和安装凸台，其中，所述安装凸台套设于所述外移动套上，并安装于所述外套筒的内侧；所述压缩弹簧的两端分别连接所述外移动套和安装凸台。

10.根据权利要求1至4中任意一项所述的多维振动水力振荡器，其特征在于，所述外套筒包括连接钻柱的上接头段、设于偏心转动组件位置的第一套接段、设于节流振动冲击组件位置的第二套接段，以及安装外移动套的端部安装段，所述上接头段、第一套接段、第二套接段及端部安装段依次连接。

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